Load-Based Variable Transmission Mechanism for Robotic Applications

📄 arXiv: 2512.15448v1 📥 PDF

作者: Sinan Emre, Victor Barasuol, Matteo Villa, Claudio Semini

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-17

备注: 22nd International Conference on Advanced Robotics (ICAR 2025)

💡 一句话要点

提出基于负载的可变传动机制，无需额外执行器即可动态调整机器人关节扭矩。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 可变传动 机器人驱动 被动控制 四杆联动 扭矩放大

📋 核心要点

  1. 现有可变传动系统依赖额外执行器主动控制，增加了机器人关节驱动系统的复杂性和重量。
  2. LBVT机制利用预张紧弹簧和四杆联动，被动响应外部扭矩需求，动态调整传动比，无需额外执行器。
  3. 仿真结果表明，该系统在特定扭矩阈值下，传动比可提高40%，并在施加力超过18N时触发扭矩放大效应。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种基于负载的可变传动（LBVT）机制，旨在通过响应外部扭矩需求动态调整传动比来增强机器人驱动。与需要额外执行器进行主动控制的现有可变传动系统不同，所提出的LBVT机制利用预张紧弹簧和四杆联动机构来被动地修改传动比，从而降低了机器人关节驱动系统的复杂性。通过基于仿真的分析评估了LBVT机制的有效性。结果证实，该系统在达到预定义的扭矩阈值时，传动比最多可提高40％，从而在需要时有效地放大关节扭矩，而无需额外的驱动。此外，仿真表明，当施加的力超过18 N时，会触发扭矩放大效应，突出了系统自主响应各种负载条件的能力。这项研究有助于开发用于机器人应用的轻量、高效和自适应的传动系统，特别是在动态扭矩适应至关重要的腿式机器人中。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决机器人关节驱动中，如何在不需要额外执行器的情况下，根据负载变化动态调整传动比，以提高效率和适应性的问题。现有方法通常需要额外的执行器进行主动控制，导致系统复杂性和重量增加。

核心思路：核心思路是设计一种被动式的可变传动机制，利用机械结构（预张紧弹簧和四杆联动）对外部负载做出响应，从而自动调整传动比。这种设计避免了使用额外的执行器，简化了系统结构。

技术框架：LBVT机制主要由预张紧弹簧和四杆联动机构组成。当外部扭矩增加时，弹簧的压缩导致四杆联动机构改变几何构型，从而改变传动比。整个过程是被动的，不需要额外的控制系统。仿真环境用于评估该机制的性能。

关键创新：关键创新在于利用机械结构的被动响应来实现可变传动，避免了使用额外的执行器。这种设计降低了系统的复杂性和重量，提高了效率。与主动控制的可变传动系统相比，LBVT机制更加简单可靠。

关键设计：预张紧弹簧的刚度和预紧力是关键参数，决定了扭矩阈值和传动比的变化范围。四杆联动机构的几何参数也需要精心设计，以保证在不同负载下传动比的变化符合预期。论文中提到，当施加的力超过18N时，会触发扭矩放大效应，这表明18N是该系统的一个关键设计参数。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

仿真结果表明，LBVT机制在达到预定义的扭矩阈值时，传动比最多可提高40％，有效地放大了关节扭矩，而无需额外的驱动。此外，当施加的力超过18 N时，仿真结果显示会触发扭矩放大效应，验证了系统能够自主响应不同负载条件。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于腿式机器人、外骨骼机器人、机械臂等需要动态扭矩适应的机器人领域。通过提高关节驱动的效率和适应性，可以提升机器人的运动性能、降低能耗，并使其更好地适应复杂环境。未来，该技术有望在康复机器人、工业自动化等领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

This paper presents a Load-Based Variable Transmission (LBVT) mechanism designed to enhance robotic actuation by dynamically adjusting the transmission ratio in response to external torque demands. Unlike existing variable transmission systems that require additional actuators for active control, the proposed LBVT mechanism leverages a pre-tensioned spring and a four-bar linkage to passively modify the transmission ratio, thereby reducing the complexity of robot joint actuation systems. The effectiveness of the LBVT mechanism is evaluated through simulation-based analyses. The results confirm that the system achieves up to a 40 percent increase in transmission ratio upon reaching a predefined torque threshold, effectively amplifying joint torque when required without additional actuation. Furthermore, the simulations demonstrate a torque amplification effect triggered when the applied force exceeds 18 N, highlighting the system ability to autonomously respond to varying load conditions. This research contributes to the development of lightweight, efficient, and adaptive transmission systems for robotic applications, particularly in legged robots where dynamic torque adaptation is critical.